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未来燃煤发电的完美技术组合:CCS+IGCC

来源:北极星电力网 作者:北极星电力网 点击:4615 日期:2012-5-18 9:43:34
内容摘要:既要使用煤炭,又要减少二氧化碳的排放,世界各国的科研人员为如何解决这一“矛”与“盾”问题,开展了史无前例的技术创新研究。目前,碳捕捉及封存技术(CCS)和整体煤气化联合循环技术(IGCC)被认为是最有潜力的技术,二者结合,将能实现二氧化碳的零排放,大大提高燃煤效率。
    


    近年来www.cusdn.org.cn随着全球能源供应的日趋紧张,昔日被认为应该淘汰的煤炭工业重新焕发了生机。有专家预言,在未来几十年里,煤炭在世界能源体系乃至全球经济和社会发展中将扮演着重要角色。然而,燃煤产生的大量二氧化碳排放使地球温室效应明显加剧,导致全球气温变暖问题日显突出。既要使用煤炭,又要减少二氧化碳的排放,世界各国的科研人员为如何解决这一“矛”与“盾”问题,开展了史无前例的技术创新研究。目前,碳捕捉及封存技术(CCS)和整体煤气化联合循环技术(IGCC)被认为是最有潜力的技术,二者结合,将能实现二氧化碳的零排放,大大提高燃煤效率。


  燃煤与温室效应的矛盾


  有资料显示,2004年世界煤炭探明储量为9090.64亿吨,其中美国独占世界煤炭储量的27.1%,俄罗斯和中国分别居第二位(17.3%)和第三位(12.6%)。以目前的开采速度计算,全球现有的石油储量可供生产50年,天然气可供应70年,而煤炭则可供应164年。


  可见,煤炭是最丰富的化石能源,因此,近年来使用煤炭做燃料在美国和西方国家迅速增长,煤炭占每年世界一次性能源的消费量超过25%,在各种能源消费量中仅次于石油。有专家预言,由于煤廉价又储藏丰富,未来热电站将主要以煤炭为燃料。在2003年至2030年之间,美国建成的以煤炭为燃料的发电站,总容量将达280.5吉瓦。


  然而,日益加剧的全球气温变暖问题使许多人认为,煤炭利用与环境保护之间是矛盾的,认为煤炭是污染之源,是最大的温室气体排放源。此外,煤炭利用效率比石油和天然气低20%到30%,应属于落后能源。同时,使用煤炭还会带来一系列“后遗症”,如冰山融化、有毒物质排放和采煤矿工伤亡等问题。


  但多年来,人们的探索与实践证明,煤炭的污染物是可以清除的,煤炭的利用效率也可以大幅提高,大量削减二氧化碳排放也是能够实现的。近年来快速发展起来的洁净煤技术,应当有望解决燃煤与温室效应的“矛”与“盾”问题。


  CCS技术


  目前,全球最公认的降低二氧化碳排放方法是CCS(碳捕捉及封存技术)。该技术要求首先对燃煤发电中产生的二氧化碳进行捕捉和收集,这与能源行业及其他工业活动中,在高压下收集浓缩二氧化碳气流的方法非常类似。


  二氧化碳的收集有3种方式:后燃烧系统、预燃烧系统和加氧燃烧。操作条件决定收集方式。后燃烧收集碳的技术同现已大规模用于天然气分离二氧化碳的技术相似;预燃烧收集碳技术现已大规模应用于生产氢气;加氧燃烧收集二氧化碳的技术还处于示范阶段。收集到的二氧化碳必须运送到一个合适的场所进行封存。在技术层面上,使用管线或者船舶就可以运送二氧化碳,而二氧化碳在30℃和5个大气压条件下就可以保持液态。二氧化碳存储方式又分成4种:一是通过化学反应将二氧化碳转化成固体无机碳酸盐;二是工业直接应用,或作为多种含碳化学品的生产原料;三是注入海洋1000米深处以下;四是注入地下岩层。第四种方式最具潜力,向地层深处注入二氧化碳的技术,在很多方面与油气工业已开发成功的技术相同,有些技术从上世纪80年代末就开始使用了。


  适宜封存二氧化碳的地层有3种:不可开采的煤层裂缝、衰竭的油气层和深盐水层。向衰竭或将要衰竭的油气层注入二氧化碳是最有吸引力的选择,因为它可将CCS和提高采收率技术联系在一起。研究表明,我们生存的地球可封存不少于2万亿吨的二氧化碳,地下封存可能出现的危险,包括二氧化碳的突然爆发和逐渐渗透。


  目前,人们对二氧化碳的捕捉及封存已经积累了大量经验,比如,利用二氧化碳提高采油技术已广泛应用于美国二叠纪盆地、加拿大的韦伯恩油田和挪威的斯雷普纳等油田。CCS技术用于燃煤电站的主要基础设备也能够在工业上进行生产,但完整的技术系统还没有,现在需要的是大型CCS示范项目为未来发展铺平道路。


  两大技术珠联璧合


  使用煤炭最多的行业是发电,因此,解决燃煤发电中二氧化碳的问题成了最主要的任务,而目前最具潜力的技术是IGCC(煤气化联合循环发电技术)。该技术是一种先进的动力系统,它可将煤气化技术和高效联合循环相结合。它由两大部分组成,即煤的气化与净化部分和燃气―蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备;第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。


  IGCC的工艺过程如下:煤经气化成为中低热值煤气,经过净化,除去煤气中的硫化物、氮化物和粉尘等污染物,变为清洁的气体燃料,然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧,被加热的气体用于驱动燃气作功,燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水,产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机作功。


  一般的热电站,通常会在普通大气压下利用锅炉燃烧煤炭,煤炭燃烧产生的热将水变成蒸汽,再通过涡轮机转化成电能。現代电厂中,燃烧煤产生的废气,会通过其他设备去除硫与氮的成分,最后经烟囱排出。在去除一般污染物后,可以再从其中抽出二氧化碳。由于废气中大部分是氮,二氧化碳占的含量比较低,因此,这样处理二氧化碳的方式既耗能又昂贵。


  而在IGCC系统中则不燃烧煤,而是让煤在与空气隔绝的高压氧化炉中与有限的氧和蒸汽一同作用,氧化过程中形成的合成气体,主要成分是一氧化碳与氢,并不含氮。同时,利用IGCC技术,从合成气体中也去除了大部分的一般污染物,再加以燃烧,产生的气体用于获得水蒸气,推动涡轮机运转。这一过程称为复合式循环。


  因此,可以在IGCC技术中利用CCS方法,对生产过程中的碳进行捕捉和封存,使IGCC有可能成为未来极低排放发电系统的最佳方法,并成为氢能经济的一部分。在设有捕捉二氧化碳程序的IGCC电厂中,合成气体脱离气化炉,经过冷却并去除粒子后,与蒸汽发生作用,产生的主成分为二氧化碳和氢的混合气体。这里二氧化碳被捕捉,经过压缩和干燥,最后运输到封存地。剩余的含氢气体,再被燃烧用于发电。


  研究发现,与传统的燃煤发电中捕捉和封存二氧化碳的技术相比,使用高品质煤的IGCC电站,捕捉二氧化碳所消耗的能量少、成本也低。另外,汽化系统是在高压和高浓度状态下抽去二氧化碳,比传统的方法要容易得多;收集二氧化碳过程中的高压,也对道输送二氧化碳有很大帮助。


  整体上说,如果在燃煤发电中采用CCS技术,生产每一度电所需消耗的煤可比在传统电厂中要多消耗30%,比在IGCC电站中要少消耗20%。美国正在设计建设应用CCS技术的IGCC的电站,这将是世界第一座零排放燃煤发电厂。目前IGCC发电技术正处于第二代技术的成熟阶段,燃气轮机初温达到1288摄氏度,单机容量可望超过400兆瓦。世界在建和拟建的IGCC电站24座,总容量8400兆瓦。荷兰的BAGGENUM电站已于1994年投入运行,美国WABASHRIVER电站及TAMPA电站、西班牙的PUERTOLLANO电站已于1997年前相继投入试生产。


  呼唤政策支持


  然而,今天,大多数燃煤发电企业在计划建设的新电站中,并没有使用CCS技术,因为应用CCS技术的成本比较高。应用CCS技术的成本取决于电站的类型、封存二氧化碳的场所与电站的距离、岩层的性质等因素。有研究机构对使用CCS技术的IGCC电站两种情况进行了评估,结果发现,如果将二氧化碳封存在距离电站100千米的地下盐水层中,生产1度电的成本比直接排放二氧化碳到大气要增加1.9%;如果将捕捉的二氧化碳用于100千米外的采油井,只要石油的价格不低于每桶35美元,电站的成本不会增加。


  另外,大多数企业认为,目前的政策也不能使应用CCS技术的企业降低成本,达到最大赢利。比如,只有对二氧化碳的排放处罚不少于每吨25美元到35美元,那些将二氧化碳出售给采油企业的电站才能不亏损,但许多国家在制订的政策中,对二氧化碳排放处罚力度比较低。


  但大多数燃煤企业已经认识到,环境保护的要求和现实性迟早会迫使企业应用CCS技术,虽然在计划建设的新电站中没有应用CCS技术,但对未来使用CCS技术做好了准备,也就是说,一旦需要,就可以投入使用。这就意味着,CCS技术本身不是一个限制性因素,而关键的因素则是经济激励,此外还需要政策的大力支持。

 

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